DE3111135A1 - Verfahren zum regeln der verbrennung in den brennraeumen einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum regeln der verbrennung in den brennraeumen einer brennkraftmaschine

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DE3111135A1 DE19813111135 DE3111135A DE3111135A1 DE 3111135 A1 DE3111135 A1 DE 3111135A1 DE 19813111135 DE19813111135 DE 19813111135 DE 3111135 A DE3111135 A DE 3111135A DE 3111135 A1 DE3111135 A1 DE 3111135A1
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Description

R- 636ff
h.3.1981 Ve/Hm
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1
Verfahren zum Regeln der Verbrennung in den Brennräumen einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, mit Hilfe von optischen Gebern, optische Brennraumsignale zu erfassen und zu verwerten (MZT 40 (1979), Seite 242). Dabei wird als Meßkriterium das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Licht im Brennraum mit Schwellwertdetektoren erfaßt. Es ist weiterhin bekannt, mit Hilfe eines optischen Gebers den Zündzeitpunkt bei Brennkraftmaschinen zu steuern (DE-OS 25 20 325). Der optische Geber ist bei der bekannten Einrichtung z. B. ein Fototransistor, dem ein Schwellwertschalter nachgeschaltet ist, welcher einen Spannungsanstieg am Geberausgang erfaßt. Dieser Spannungsanstieg ist ein Maß für das Einsetzen der zweiten Verbrennungsphase im Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die zweite Verbrennungsphase folgt einer ersten Phase, in der das Gemisch gezündet wird, in der jedoch kein nennenswerter Druckanstieg und keine nennenswerte Lichtemission auftritt. In der zweiten Phase tritt dagegen neben einem ausgeprägten Druckanstieg und Temperaturanstieg auch eine Lichtemission auf. Es ist weiterhin bekannt, den mit geeigneten Drucksensoren
erfaßten Druckverlauf zu Steuer- bzw. Regelzwecken auszuwerten. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß gegenüber der rein qualitativen Erfassung und Verwertung des Auftretens von Lichtsignalen es möglich ist, mit hoher Genauigkeit und Sicherheit charakteristische Punkte des Verbrennungsvorgangs entsprechenden Kurbelwellenwinkeln zuzuordnen und diese gewonnene Steuergröße zu Regelzwecken auszuwerten, wobei die erzielten Steuersignale im wesentlichen unabhängig von Langzeiteinflüssen und von wechselnden Formen des Verbrennungsablaufs sind. So wirkt sich z. B. eine zunehmende Verschmutzung eines in bekannter Weise die Lichtsignale empfangenden Brennraumfensters erst nach langer Betriebszeit auf die Erfaßbarkeit der erfindungsgemäß abgeleiteten Steuergröße aus. Die Verrußung kann im einfachsten Fall bei Wartungsarbeiten, die auch für die übrigen Teile der Brennkraftmaschine oder des zugehörigen Fahrzeugs notwendig werden, beseitigt werden oder durch geeignete Kontrollmaßnahmen überwacht und/oder beseitigt werden. Durch die erfindungsgemäße Steuergrößenbildung wird insbesondere vermieden, daß Störimpulse, die bereits.vor dem eigentlichen Druckanstieg bzw. vor dem Anstieg der emittierten Lichtintensität auftreten, zu falschen Steuergrößen führen. Durch die Verwendung von bezogenen Werten charakteristischer Punkte des Lichtintensitätsverlaufes im Brennraum während der Verbrennung erzielt man eine Steuergröße, die in sehr geringem Maße störanfällig ist und im Gegensatz zu den sonst üblichen elektromechanischen oder mechanischen Gebern über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine gleichbleibende Empfindlichkeit der Signalerfassung bietet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin in vorteilhafter Weise auch bei Mischkraftstoffbetrieb z. B. mit einem Benzin-Methanol-Gemisch, ohne Schwierigkeiten anwendbar.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Eine besonders einfache und billig zu realisierende Zünd- bzw. Gemischaufbereitungsanlage ergibt sich nach dem Verfahren, bei dem während mehrerer, aufeinanderfolgender Zyklen geprüft wird, ob ein charakteristischer Punkt der Lichtsignalkurve, z.B. der Entflammungspunkt oder Maximalwert, vor oder nach einem festgelegten Soll-Kurbelwellenwinkel auftritt. In einem Fall werden in ein Schieberegister 1- und im anderen Fall O-Signale eingespeichert. Der Inhalt des Schieberegisters wird laufend aufsummiert und mit einem Soll-Summenwert verglichen, der der Summe einer gleichen Anzahl von 0- und 1-Signalen entspricht. Bei Unter- bzw. Überschreiten dieses Soll-Summenwerts wird z.B. der Zündzeitpunkt in die eine oder in die andere Richtung verändert. Eine nach diesem Verfahren arbeitende Anlage kommt mit einem sehr einfachen und billigen Geber aus, der lediglich bei dieser festgelegten Winkelstellung jeweils einen Impuls abgeben muß. Eine Realisierung durch einen Mikrorechner ist leicht möglich.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind schematisch in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Diagramm des Lichtintensitätssignals aufgetragen über dem Kurbelwellenwinkel, Figur 2 ein Diagramm des Druckverlaufs im Brennraum über den Kurbelwellenwinkel, Figur 3 das Blockschaltbild für verschiedene Auswertungsarten des Lichtintensität sverlaufs über den Kurbelwellenwinkel, Figur k die weitere Darstellung von Auswertungsarten des differenzierten Lichtintensitätssignals für Regel- und Steuerfunktionen bei Brennkraftmaschinen, Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Regelschaltung und Figur 6 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
. Λ Λ . Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die heute bekannten Regel- und Steuersysteme von Brennkraftmaschinen basieren im wesentlichen darauf, Betriebsparameter der Brennkraftmaschine indirekt mit geeigneten Gebern zu erfassen, wie etwa Drehzahl-, Drosselklappenwinkel, Drehzahlschwankungen bzw. die Rauigkeit des Motorlaufs oder die Abgaszusammensetzung· Im Hinblick auf die Genauigkeit, das Zeitverhalten bei Übergangsvorgängen und den heute erforderlichen Aufwand an Sensoren zur Erfassung dieser Brennkraftmaschinenparameter ist es sehr voreilhaft, möglichst unmittelbar die sich auf die Verbrennung auswirkenden Parameter im Brennraum der Brennkraftmaschine zu erfassen. Eine bekannte Art ist die Erfassung des Brennraumdrucks, der wie Figur 2 zeigt, je nach Zündzeitpunkt ein ausgeprägtes Maximum im Bereich des oberen Totpunktes aufweist, wobei angestrebt wird, daß das Maximum nach dem oberen Totpunkt liegt. Der wesentliche Nachteil der unmittelbaren Messung des Brennraumdruckes mit Hilfe von Druckgebern ist es, daß die bekannten Geber keine ausreichende Standfestigkeit aufweisen, im Meßbereich sehr begrenzt sind und daß das Drucksignal durch vielfältige Störeinflüsse beeinflußt wird. Unabhängig davon liegt der Vorteil dieser Messung grundsätzlich darin, daß man aus dem Druckdiagramm den Lastzustand und das Drehmoment errechnen kann, daß man die Gleichförmigkeit des Verbrennungsablaufes ermitteln kann, daß aus dem Druckdiagramm Klopfschwingungen erfaßbar sind und die Position des Maximums zum oberen Totpunkt ermittelbar .ist.
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In Fig. 1 ist die dem Brennraum entnommene Lichtemission dargestellt, wobei die Lichtintensität über dem Kurbelwellen-, winkel o< aufgetragen ist. Bei Vergleich mit dem Brennraumdruckverlauf über dem Kurbelwellenwinkel <bL erkennt man eine sehr große Ähnlichkeit beider Kurven miteinander mit ' der Ausnahme, daß der Kurvenverlauf der Lichtintensität über den Kurbelwellenwinkel eine wesentlich größere Kontinuität aufweist·. Wesentlich ist auch der klar erkennbare Anstieg der Lichtemission nach der Entflammung und die starke Ausprägung vom bei klopfender Verbrennung auftretenden Schwingung«·^ bei Erreichen des Lichtintensitätsmaxxmums.
Die Erfassung des Lichtsignals im Brennraum erfolgt mit Hilfe von optischen Sensoren, wobei in der 'Brennraumwand z. B. ein lichtdurchlässiges Fenster vorgesehen ist, dem ein optoelektrischer Wandler nachgeschaltet ist. Dies ist in Fig. schematisch dargestellt. Von der Brennraumwand 1 ist lediglich ein Teilstück dargestellt, das ein lichtdurchlässiges Fenster 2 enthält. Auf der Außenseite des Fensters ist, wie die Blockschaltbilddarstellung zeigt, ein optoelektrischer Wandler nachgeschaltet, der z. B. ein Fototransistor sein kann. Dieser gibt ein elektrisches Steuersignal ab, das sich mit der Intensität der Lichtemission eines Brennraums ändert. Dem Wandler 3 ist eine Anpassungsschaltung 5 nachgeschaltet, durch die das vom Wandler abgegebene Steuersignal verstärkt und in eine der Lichtintensität proportionale Spannung S. umgewandelt wird. Der Spannungsverlauf dieser Spannung ist beispielhaft in Fig. 1 über den Kurbelwellenwinkel dargestellt.
Als weiterer Geber ist mit der Brennkraftmaschine ein Kurbelwellenwinkelgeber 6 bekannter Bauart verbunden, an dessen Ausgang eine Impulsfolge auftritt mit Impulsen, deren Abstände äquidistante Winkelstellungen angeben. Der Ausgang des Kurbelwellenwinkelgebers 6 ist mit einem Integrator 8 verbunden, durch den die Impulsfolge in eine winkelproportionale Spannung umgewandelt wird. Ein solcher
6
Integrator kann andererseits auch ein Zähler sein, der ein dem Kurbelwellenwinkel entsprechendes Digitalwort abgibt. Der Zähler bzw. der Integrator 8 wird dabei bei einer Bezugskurbelwellenwinkelposition gesetzt.
Da das vom Verbrennungsvorgang abgegebene Signal gewissen Schwankungen unterworfen ist, und da andererseits auch die Lichtdurchlässigkeit des Fensters 2 bzw. die Charakteristik des optoelektrischen Wandlers alterungsabhängig ist, wird das Steuersignal S. erfindungsgemäß in eine bezogene Größe umgewandelt, von der Steuersignale für eine Regeleinrichtung abgeleitet werden. In sehr einfacher Weise läßt sich das Steuersignal S. durch eine Differenziereinrichtung 9 differenzieren und in einer nachgeschalteten Regelschaltung 11 unter Hinzuziehung des Ausgangssignals des Integrators 8 und des Kurbelwellenwinkelgebers 6 auswerten. Auswertmöglichkeiten dieser Art sind in dem Blockschaltbild in Pig. 4 näher dargestellt. Mit diesem Signal lassen sich insbesondere vorteilhaft charakteristische Punkte wie Wendepunkte der Lichtintensitätskurve, das Maximum der Lichtintensitätskurve und der Anstiegspunkt der Lichtintensitätskurve erfassen. Wie Pig. 1 entnehmbar ist, ist das Differential der Lichtintensität bis zum Einsetzen der Entflammung praktisch Durch Vergleichen des Ausgangssignals der Differenziereinrichtung mit einem Schwellwert läßt sich somit in sehr einfacher Weise der Entflammungspunkt ermitteln, wobei die winkelproportionale Ausgangsspannung des Integrators 8 den zugehörigen Winkel angibt. In üblicher Weise wird dann durch SoIl-Ist-Wertvergleich z. B. der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine geregelt.
Aus dem Steuersignal S- ist andererseits auch das Integral über der Zeit durch eine Integriereinrichtung 12 oder das Integral über den Kurbelwellenwinkel durch eine Integriereinrichtung 14 meßbar. Zur Erfassung des Integrals über dem Kurbelwellenwinkel wird dazu der Integriereinrichtung das Ausgangssignal des Kurbelwellenwinkelgebers 6 zugeführt. Durch eine Anpassunpjsschaltung ist natürlich auch das Integral des Licht intern; itätssignals bezogen auf das Brennraumvolumen erfaßbar. Die durch diese Integriereinrichtungen erhaltenen Steuersignalse sind Ausdruck des Brennraumzustands nach Druck und Temperatur.
Anders ausgedrückt geben die Integralwerte den mittleren Gaszustand in der Verbrennungsphase an, was mit dem mittleren Brennraumdurck vergleichbar ist.
Vorteilhaft läßt sich der Brennraumzustand mit Hilfe einer bekannten Optimierungseinrichtung optimieren im Sinne einer maximalen Leistung unter Verwendung des Integrals der Lichtintensität.
Es ist bekannt, aus den Schwankungen des mittleren Brennraumdrucks ein Signal für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine zu ermitteln, wenn diese in den Bereich der Laufgrenze gerät. In gleicher Weise ergeben die Ausgänge der Integriereinrichtungen 12 oder 14 sehr saubere Signale, mit denen in gleicher bekannter Weise ein Laufruhe- bzw. Laufunruhesignal erzeugt werden kann und damit z. B. die Gemischzusammensetzung beeinflußt werden kann. Dies erfolgt entweder durch Steuerung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder durch Steuerung von zustäzlichen Abgasrückführmengen oder des Zündzeitpunkts.
Das integrierte Lichtintensitätssignal kann weiterhin als Bezugsgröße für das erfaßte Lichtsignal verwendet werden sowie der davon abgeleiteten Größen.
Eine weitere Möglichkeit der Auswertung des Steuersignals S. ist die Ermittlung des Lichtintensitätsmaximums mit Hilfe eines Maximalwertdetektors 15· Dieser ist nur in dem Kurbelwellenwinkelbereich, in dem das Maximum der Lichtintensität zu erwarten ist, wirksam. Zu diesem Zweck wird der Detektor über ein Fensterfunktionsglied 17 angesteuert, das vom Ausgang des Integrators 8 gesteuert wird. Dieses Funktionsglied ermöglicht ein Arbeiten des Maximalwertdetektors 15 nur in einem ausgewählten Winkelbereich. Das Erkennungssignal für das Vorliegen eines Maximalwerts wird in der Regelschaltung mit dem dazugehörigen Kurbelwellenwinkel verarbeitet. Mit der Lage des Maximums kann in ähnlicher Weise wie zuvor mit der Lage des Anstiegs der Lichtintensität der Zündzeitpunkt in bekannter Weise geregelt werden. Als bezogenes Signal ist das Ausgangs-
11J135, δ 3 ο f!
signal des Maximalwertdetektors 15 gleichermaßen unabhängig von der Absolutgröße der Lichtintensität an dieser Stelle.
Die Auswertung des Steuersignals S. kann mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Auswerteeinrichtungen erfolgen. Insgesamt läßt sich mit mehreren der auf diese Weise gewonnenen Steuersignalen der Ist-Zustand des Motors analysieren.
IN Fig. 4 ist ein Blockschaltbild speziell mit Auswertemöglichkeiten des differenzierten Lichtsignals prinzipmäßig dargestellt. Wie in Pig. 3 beschrieben, ist auch hier in einer Brennraumwand 1 ein Fenster 2 vorgesehen, dem ein optoelektrischer Wandler 3 nachgeschaltet ist. Das Ausgangssignal des optoelektrischen Wandlers 3 wird durch eine Anpassungsschaltung 5 zu dem Steuersignal S. verarbeitet, das dem Verlauf der Lichtintensität entspricht. Wie in Fig. 3 bereits beschrieben, wird das Steuersignal S. einer Differenziereinrichtung 9 zugeführt, in der das Signal d S./dt oder nach dem KW d S./do^ .differenziert wird. Weiterhin ist ebenfalls der
Kurbelwellenwinkelgeber 6 vorgesehen, dem der Integrator 8 nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang eine der Winkelstellung proportionale Spannung anliegt. Vom Ausgangssignal des Integrators 8 wird weiterhin ein ersfes Fensterfunktionsglied 18 und/oder ein zweites Fensterfunktionsglied 19 und/oder ein drittes Fensterfunktionsglied 20 gesteuert. Das erste Fensterfunktionsglied l8 gibt ein Einschaltsignal an einen Maximalwertdetektor 22 ab, so daß dieser nur während eines ausgewählten Kurbelwellenwinkelbereichs arbeitsfähig ist. Am Eingang des Maximalwertdetektors 22 liegt das Steuersignal dS./dt oder dS./d^. vom Ausgang der Differenziereinrichtung 9 an. Mit der Ermittlung des Maximalwertes innerhalb des ausgesuchten Kurbelwellenwinkel-· bereichs wird aus dem differenzierten Signal der Wendepunkt der Kurve in Fig. 1 ermittelt. Liegt die Wendepunktbedingung vor, so gibt der Maximalwertdetektor ein Einschaltsignal ab, an eine erste Signalwerthaltevorrichtung 24 und/oder eine zweite Signalwerthaltevorrichtung 25 und/oder eine dritte Signalwerthaltevorrichtung 26 ab. Mit diesen Signalwerthaltevorrichtungen (Sample and Hold) können momentane Werte gespeichert und einer nachgeschalteten Regeleinrichtung zugeführt werden. Je nach Ausgestaltung der Regelung sind ein oder
uder mehrere der genannten SignalwerthalLevorrlchtung 2l\ ist mit dem Ausgang der Differnziereinrichtung 9 verbunden und hält den Steuerwert dS./dt bzw. dS./dct im Wendepunkt fest. Dieser Steuerwert stellt die Steigung der Kurve der Lichtintensität dar und ist ein Maß für die Verbrennungsgeschwindigkeit im Brennraum. Dieser Steuerwert kann einer Steuereinrichtung 28 zugeführt werden, die über ein Abgasrückführventil 29, das in einer Abgasrückführleitung 30 angeordnet ist, die rückgeführte Abgasmenge steuert.
Es gibt Brennverfahren, die eine hohe Ladungsturbulenz aufweisen und bei denen die Verbrennung zu schnell erfolgen kann, so daß es zu Klopferscheinungen kommen kann. Andererseits ergeben sich hohe Drücke und hohe Spitzentemperaturen. Die Verbrennungsgeschwindigkeit kann nun mit der oben beschriebenen Einrichtung erfindungsgemäß reduziert werden, derart, daß bei sehr hoher Verbrennungsgeschwindigkeit eine größere Menge Abgas rückgeführt wird und bei abnehmender Verbrennungsgeschwindigkeit weniger Abgas rückgeführt wird.
Mit Hilfe der zweiten Signalwerthaltevorrichtung 25, dessen Eingang mit dem Ausgang der Anpassungsschaltung 5 verbunden ist, kann der Momentanwert der Lichtintensität im Wendepunkt W der Lichtsintensitätskurve gemäß Fig. 1 festgehalten werden. Durch die dritte Signalwerthaltevorrichtung 26 wird weiterhin der Kurbelwellenwinkel festgehalten, an dem der Wendepunkt der Lichtintensitätskurve auftritt. Mit diesem Steuerwert kann in bekannter Weise in einer nachgeschalteten Steuerschaltung 32 der Zündzeitpunkt bei der Brennkraftmaschine verändert werden. Weiterhin kann auch in an sich bekannter Weise ein Signal für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine aus der Größe der Signalwerte, Winkellage oder momentane Lichtintensität am Wendepunkt, ermittelt werden, indem die Signalwerte am Wendepunkt bei aufeinanderfolgenden Arbeitstakten miteinander verglichen werden und daraus die Schwankungen des Signalwerts bezogen auf den Signalmittelwert am Wendepunkt ermittelt werden. In einer solchen Laufruheregelschaltung 33 wird ein Sollwert für die maximale Schwankungsbreite des Signalwerts am Wendepunkt bereit-
β 3 ο η
47··
gestellt und aus dem Vergleich des Ist-Werts mit dem Soll-Wert ein Steuersignal gebildet, das ein Bestandteil des Betriebsgemisches der Brennkraftmaschine, wie Kraftstoff, Luft oder Abgas entsprechend korrigiert.
Aus den drei Werten der ersten, zweiten und dritten Signalwerthaltevorrichtung läßt sich ferner auch in einer entsprechend ausgebauten Steuerschaltung J>k, die z. B. eine Rechenschaltung sein kann, ein dem Anstiegspunkt E der Lichtintensitätskurve über den Kurbelwellenwinkel entsprechender Punkt E1 ermittelt werden. Mit diesem Steuerwert bezogen auf die Kurbelwellenwinkelstellung kann nun ebenfalls der Zündzeitpunkt gesteuert werden. Dies hat gegenüber dem zu Figur 3 beschriebenen Verfahren den Vorteil, daß ein Fehlereinfluß durch die Wahl des Schwellwertes für den Lichtintensitätswert vermieden wird. Nachdem zu Fig. 3 beschriebenen Verfahren ist es notwendig, wenn der Entflammungspunkt genau erfaßt werden soll, daß der Schwellwert möglichst unmittelbar über der Null-Intensität vor dem Entflammungspunkt E liegt. Je nachdem wie steil die Lichtintensität ansteigt, ergibt sich ein unterschiedlicher zugeordneter Kurbelwellenwinkel. Weiterhin können auch Störpegel zu einem falschen Steuerwert führen.
Der Einfluß von Störgrößen kann jedoch durch die weiterhin in Fig. 4 gezeigte Erfassung des Anstiegspunkts reduziert werden. Zu diesem Zweck ist das zweite Fensterfunktionsglied 19 vorgesehen, dessen Ausgangssignal einen Schwellwertschalter 36 in Arbeitsbereitschaft über einen ausgewählten Kurbelwellenwinkelbereich bringt. Der Eingang des Schwellwertschalters 36 ist mit dem Ausgang der Differenziereinrichtung 9 verbunden, während der Ausgang des Schwellwertschalters 36 eine vierte Signalwerthaltevorrichtung 37 steuert. Diese ist eingangsseitig wiederum mit dem Integrator 8 verbunden und gibt ein Steuersignal ab, das den Winkelbereich, in dem der Anstiegspunkt E auftritt, entspricht. Damit ist sichergestellt, daß nur der Lichtwert in diesem Bereich ausgewertet wird und z. B. Lichtwerte, die auf den Zündfunken direkt zurückgehen, nicht erfaßt werden. Zwischen dem eigentlichen Zündzeitpunkt und dem Entflammungspunkl liegt bekanntlicherweise die Phase des Zündverzugs, bei der
noch keine Lichtemission zu messen ist. Mit dem von der vierten Signalwerthaltevorrichtung 37 abgegebenen Steuerwert läßt sich nun in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer Steuerschaltung 32f der Zündzeitpunkt regeln oder in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer- Laufruheregelschaltung 33 die Gemischzusammensetzung des in den Brennräumen der Brennkraftmaschine zur Verbrennung kommenden Betriebsgemisches beeinflussen.
Weiterhin kann das von der Differenziereinrichtung 9 abgegebene Steuersignal dS./dt bzw. dS./d<y einem Filter 39 zugeführt werden, der die Hochfrequenzanteile des Steuersignals durchläßt. Das am Ausgang dieses Hochpaßfilters anstehende Signal wird nach evtl. Gleichrichtung einer Schwellwerteinrichtung 40 zugeführt, die durch das dritte Fensterfunktionsglied 20 in Betriebsbereitschaft .gesetzt wird. Die Schwellwerteinrichtung ist dabei im Bereich des Maximums der Lichtintensität skurve wirksam. Mit der Schwellwerteinrichtung wird eine Mindeststärke einer die Lichtintensitätskurve überlagernden Schwingung K, die auf eine klopfende Verbrennung der Brennkraftmaschine zurückzuführen ist, erfaßt und einer nachgeschalteten Steuereinrichtung 41 zugeführt, durch die klopfverhindernde Maßnahmen durchgeführt werden können. Diese Maßnahmen sind z. B. die Verstellung des Zündzeitpunktes, die Änderung der Gemischzusammensetzung, das Senken des Ladedrucks, die Erhöhung der Abgasrückführrate und andere bekannte Maßnahmen. In Fig. 2 ist gestrichelt die Schwingung der Lichtentensität eingezeichnet, die sich bei klopfender Verbrennung ergibt. Es hat sich gezeigt, daß diese "Klopfschwingungen" mit wesentlich größerer Intensität auftreten als das beim Druckdiagramm des Brennraumdruckes feststellbar ist. Deshalb ist die Erfassung der Lichtemission in besonders vorteilhafter Weise dazu geeignet, eine klopfende Verbrennung frühzeitig zu erkennen und durch einen geeigneten Regeleingriff zu vermeiden.
Die beschriebenen Einrichtungen lassen sich sowohl bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen als auch bei seIbstzündenden Brennkraftmaschinen verwirklichen. Der Zündzeitpunkt bei den letztgenannten Brennkraftmaschinen wird in bekannter Weise durch
δ 3 β 8
den Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff in den Brennraum bestimmt. Man kann also bei beiden Brennverfahren von einem Zündzeitpunkt sprechen, wobei bei dem einen der auslösende Anlaß die Abgabe der Zündspannung ist und bei dem anderen der auslösende Anlaß der Beginn der Kraftstoff-Einspritzung ist.
In dem-in Figur 5 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel werden die Lichtsignale in allen Zylindern der Brennkraftmaschine erfaßt und - bei einer U-Zylinder-Brennkraftmaschine - vier optoelektronischen Wandlern 3, 50 bis zugeführt. Deren Ausgangssignale sind einer Auswerteschaltung zugeführt, die - wie bereits beschrieben - eine Differenziereinrichtung 9 mit einer eingebauten Schwellwerterkennung oder ein Maximalwertdetektor 15 sein kann. Wesentlich ist dabei, daß ein charakteristischer Punkt des Lichtsignalverlaufs erfaßt wird. Im dargestellten Fall der Entflammungspunkt (oder der Maximalwert). Der Ausgang ist über ein UND-Gatter 53 dem D-Eingang eines D-Flipflops 5^ zugeführt. Eine mit der Kurbelwelle oder Nockenwelle gekoppelte Geberanordnung 55 besteht aus einem Winkelmarken 56 bis 59 aufweisenden rotierenden Teil 6o, wobei die Winkelmarken 56 bis 59 durch einen Sensor abgetastet werden. Dieser Sensor kann z.B. ein Hall-Sensor, ein induktiver oder ein optische Sensor sein. Im Ausführungsbeispiel ist das rotierende Teil 6θ mit der Nockenwelle einer U-Zylinder-Brennkraf-tmaschine verbunden. Die Winkelmarken 56 bis 59 umfassen einen Winkel/S zwischen einer Soll-Kurbelwellenwinkelstellung S, und dem oberen Totpunkt OT, die mit dem charakteristischen Punkt des Lichtverlaufs übereinstimmen soll.
Der Sensor 61 ist mit einem weiteren5, invertierenden Eingang des UND-Gatters 53, mit dem Takteingang ,C des Flipflops 5^ sowie mit einem Eingang eines Inverters 62 verbunden, dessen Ausgang den Schiebetakt eingang 63 eines Schieberegisters 6k steuert. Der Ausgang des Flipflops 5^· liefert
ό I I Ί IJb
β3 6 8
einem weiteren Eingang 65 den einzuspeichernden Wert. Das Schieberegister weist acht Speicherplätze auf, die mit einem Addierer 66 verbunden sind. Der Ausgang des Addierers 66 liefert den Istwert an einen Summenpunkt 67, wobei der Soll-Summenwert durch einen Sollwertgeber 68 vorgegeben ist. Der Ausgang des Summenpunkts 6? ist über einen z.B. als P-Regler ausgebildeten Regler 69 der Steuerschaltung 32 zur Veränderung des Zündzeitpunkts zugeführt. Eine solche Steuerschaltung, die den Zündzeitpunkt schrittweise in die eine oder in die andere Richtung in Abhängigkeit eines Eingangssignals verändern kann, ist z.B. aus der DE-OS 2T hO Okk bekannt.
Die Wirkungsweise des in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiels soll im folgenden anhand des in Figur 6 dargestellten Signaldiagramms erläutert werden. Es ist der Fall dargestellt, daß der Entflammungspunkt E als charakteristischer Punkt des Lichtsignalverlaufs U3 in der Differenziereinrichtung 9 ausgewertet wird. Es wird dabei ausgangsseitig ein Signal U9 erzeugt, dessen Anstiegsflanke mit dem charakteristischen Punkt E übereinstimmt. In Abhängigkeit der Winkelmarken 56 bis 59 liefert die Geberanordnung 55 eine Signalfolge U55· Durch die in Figur 5 dargestellte Regeleinrichtung soll der Zündzeitpunkt so geregelt werden, daß der Entflammungspunkt, also die Einstiegsflanke des Signals U9 mit der Soll-Kurbelwellenwinkelstellung S übereinstimmt. Im ersten dargestellten Fall ist der Entflammungspunkt zu spät, im zweiten Fall zu früh. Dies äußert sich dadurch, daß im ersten Fall durch gleichzeitiges Auftreten eines Signals U9 und eines invertierenden Signals U55 ein Ausgangssignal U53 des UND-Gatters 53 erzeugt wird, durch das bei gleichzeitigem Auftreten der Anstiegsflanke eines Taktsignals U55 das Flipflop 5^· gesetzt wird. Mit der folgenden Anstiegs-
flanke eines Signals U55 wird das Flipflop 5^ rückgesetzt, sofern nicht erneut ein Signal U53 erzeugt wurde. Bei zu frühem Entflammungspunkt (zweiter dargestellter Fall) trifft dies nicht zu (kein Signal U53). Jeweils mit der Anstiegsflanke des invertierten Gebersignals U62 wird abgefragt, ob das Flipflop 5k gesetzt ist, also ob der Entflammungspunkt zu spät lag. Das zu diesem Zeitpunkt am Ausgang des Flipflops 5^ anliegende 1-Signal wird in das Schieberegister 6k übernommen. Liegt der Entflammungspunkt zu früh, so wird entsprechend ein O-Signal übernommen. Geregelt wird auf einen Mittelwert, d.h. wenn jeweils vier Speicherplätze des acht Speicherplätze enthaltenden Schieberregisters 6^ mit O-Signalen (zu früher Entflammungspunkt) und vier Speicherplätze mit 1-Signalen (zu später Entflammungspunkt) belegt sind, dann liegt im Mittel der richtige Zündzeitpunkt vor und es erfolgt keine Faehregelung. Die Summe aller Speicherinhalte ist in diesem Fall die Zahl vier, die im Summenpunkt mit der Zahl vier des Sollwertgebers 68 verglichen wird. Bei Über- bzw. Unterschreitung dieser Zahl vier durch die Summe der Werte im Schieberregister 6k erfolgt eine entsprechende Nachregelung des Zündzeitpunkts·
Das durch die beschriebene Anordnung dargestellte Verfahren eignet sich sowohl zur analogen, wie auch zur digitalen Regelung, vorzugsweise durch einen Mikroprozessor. Anstelle einer elektronischen Efachverstellung des Zündzeitpunkts kann dies auch z.B. über ein Stellglied erfolgen, das auf den Zündverteiler einwirkt.
Anstelle eines einzigen Schieberregisters 6k für die gesamte Brennkraftmaschine, kann auch jedem Zylinder ein eigenes Schieberegister zugeordnet werden, so daß auch eine Überwachung des Motorzustandes dadurch erfolgen kann, daß die Inhalte der Schieberegister miteinander verglichen werden. Bei zu großer Abweichung kann dann eine entsprechende Warnung erfolgen.

Claims (1)

  1. η. β 3 6 ft
    4.3.1981 Ve/Hm
    ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1
    Ansprüche
    3 Verfahren zum Regeln der Verbrennung von dosierten, den Brennräumen einer Brennkraftmaschine zuzuführenden Betriebsstoffen unter Verwendung von im Brennraum entstehenden Lichtsignalen als Steuergröße, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Lichtintensität über den Verbrennungsablauf erfaßt wird und daraus abgeleitet eine bezogene Steuergröße gebildet wird, durch die eine Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine angesteuert wird.
    2. Verfahren nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, daß das der momentanen Lichtintensität im Brennraum entsprechendes Signal differenziert wird und durch eine Auswertschaltung wenigstens ein charakteristischer Punkt (Maximum, Wendepunkt, Anstiegspunkt) des Verlaufs des differenzierten Signals in Bezug auf die Kurbelwellenwinkelstellung als abgeleitete Größe erfaßt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem differenzierten Signal wenigstens einer der Wende-
    - 2 - R. 6 3 5ft
    punkte und die diesem entsprechende Kurbelwellenwinkelstellung als Ist-Wert ermittelt wird, mit einem Kurbelwellenwinkelsollwert verglichen wird und entsprechend der Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert der Zündzeitpunkt korrigiert wird,
    4< Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem differenzierten Signal wenigstens einer der Wendepunkte und einer der dort vorhandenen Signalwerte Kurbelwellenwinkellage oder Lichtintensität in aufeinanderfolgenden Arbeitstakten in wenigstens einem der Zylinder der Brennkraftmaschine erfaßt wird und die Schwankungen der Signalwerte an wenigstens einem der Wendepunkte als entsprechende Steuergröße, gebildet wird, die mit einem Soll-Wert der zulässigen Schwankungsbreite verglichen wird, wobei je nach überschreiten oder Unterschreiten des Soll-Werts der Anteil eines der Betriebsstoffe des Betriebs-Gemisches der Brennkraftmaschine aus Kraftstoff, Luft und/oder Abgas oder der Zündzeitpunkt korrigiert wird,
    5, Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das differenzierte Lichtintensitätssignal mit Hilfe einer Schwellwerteinrichtung mit einem Mindestwert verglichen wird und im Überschreitungspunkt ein der Kurbelwellenwinkelstellung entsprechendes Steuersignal als Ist-Wert
    τ- 3 - R. 6 3 δ R
    gebildet wird, daß dieser Ist-Wert mit einem Kurbelwellenwinkel-Sollwert verglichen wird und daß entsprechend der Abweichung des Ist-Wertes vom Soll-Wert der Zündzeitpunkt und/oder ein Betriebsstoffanteil des Betriebsgemisches der Brennkraftmaschine verändert wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das differenzierte Lichtintensitätssignal mit Hilfe eines Schwellwertschalters mit einem Mindestwert verglichen wird, und das Lichtsignal am Umschaltpunkt des Schwellwertschalters in aufeinanderfolgenden Arbeitstakten der Brennkraftmaschine festgehalten wird, und daß aus diesen in aufeinanderfolgenden Arbeitstakten der Brennkraftmaschine ermittelten Werten und deren Schwankungen, bezogen auf den Mittelwert / eine Steuergröße gebildet wird, die mit einem Soll-Wert der zulässigen Schwankungsbreite verglichen wird, wobei je nach Über- oder Unterschreiten des Sollwerts der Anteil eines der Betriebsstoffe des Betriebsgemisches der Brennkraftmaschine und/oder der Zündzeitpunkt verändert wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das differenzierte Lichtsignal mit Hilfe eines Schwellwertschalters mit einem Mindestwert verglichen wird und ein der Kurbelwellenwinkelstellung am Umschaltpunkt des Schwell-
    r 4 - R, 6 3 6 8"
    wertschalters entsprechender Signalwert in auf einander fol-r genden Arbeitstakten "der Brennkraftmaschine festgehalten wird und daß aus diesen ermittelten Signalwerte und deren Schwankungen bezogen auf einen Mittelwert eine Steuergröße gebildet wird, die mit einem Soll-Wert der zulässigen Schwankungsbreite verglichen wird, wobei je nach Überoder Unterschreiten des- Sollwertes der Anteil eines der Betriebsstoffe des Betriebsgemische's der Brennkraftmaschine und/oder der Zündzeitpunkt verändert wird.
    8, Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem diffenzierten Signal wenigstens einer der Wendepunkte und in diesem Punkt der Absolutwert des Signals selbst und/oder des differenzierten Signals als ein für die Verbrennungsgeschwindigkeit repräsentatives Signal als Steuergröße für die Dosierung von Abgasrückführmengen verwendet wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem differenzierten Signal ein eine bestimmte Frequenz
    überschreitender Signalanteil ausgefiltert wird und mit Hilfe einer Schwellwerteinrichtung die Amplitude der ausgefilterten Schwingung mit einem Mindestwert verglichen wird, bei dessen überschreiten eine Steuereinrichtung angesteuert wird, durch die Betriebsgrößen zur Verhinderung einer klopfenden Verbrennung gesteuert werden.
    - 5 - R. 6 3 δ η
    10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtintensitätssignal mit einer Integriereinrichtung integriert wird und als Signal für den Brennraumzustand einer Anzeigeeinrichtung zugeführt wird oder einer Regeleinrichtung zugeführt· wird, durch die der Mengenanteil an Kraftstoff- oder Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Ladung des Brennraums steuerbar ist (Pig. 1, 12, 14).
    11. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Schwankungen des- integrierten Lichtsignals bezogen auf den Mittelwert als Meßgröße für die Laufruhe einer Brennkraftmaschin^ mit innerer Verbrennung genommen wird und der Vergleich mit einer zulässigen Schwankungsbreite zum Regeln des Luft-Kraftstoff-Gemisches, der Abgasrückführung oder des ZundZeitpunktes verwendet wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der Lichtintensität in einer Integriereinrichtung integriert wird und als Signal für den Brennraumzustand einer Optimiereinrichtung zugeführt wird, durch die der Zündzeitpunkt und/oder die Betriebsgemischzusammensetzung veränderbar ist.
    13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Signal der Lichtintensität mit einem Maximal-
    wertdetektor oder aus dem differenzierten Signal mit einem Nulldurchgangsdetektor das Maximum der Lichtentensltät und die diesem Maximum entsprechende Kurbelwellenwinkelstellung als Ist-Wert ermittelt wird und mit einem Soll-Wert der Kurbelwellenwinkelstellung in diesem Punkt verglichen wird und entsprechend der Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert der Zündzeitpunkt und/oder ein Betriebsstoffanteil des in der Brennkraftmaschine zur Verbrennung kommen'-den Betriebsgemisches verändert wird.
    14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 12j dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Drehzahlsignal bezogen auf den Zylinder, dessen Brennraum-Lichtemission erfaßt wird, wenistens ein Pensterfunktionsglied gesteuert wird, durch das über einen ausgewählten Kurbelwellenwinkelbereich ab einem Bezugskurbelwellerwinkel ein Steuersignal abgebbar ist, durch das Auswerteeinrichtung des Lichtsignals funktionsbereit steuerbar sind,
    15. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte Lichtsignal als Bezugsgröße für das Lichtsignal selbst, das differenzierte oder integrierte Signal verwendet wird.
    16. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein am charakteristischen Punkt erzeugtes Signal mit einem· an einer Soll-Kurbelwellenwinkelstellung erzeugten Signal bezüglich der zeitlichen Reihenfolge während mehrerer Zyklen verglichen wird, daß in Abhängigkeit der ermittelten Reihenfolge jeweils einer zweier unterschiedlicher Werte gespeichert wird, daß die Summe der gespeicherten Werte als Istwert mit einem Soll-Summenwert verglichen wird und daß in Abhängigkeit der Abweichung der Anteil eines der Betriebsstoffe des Betriebsgemisches der Brennkraftmaschine und/oder der Zündzeitpunkt verändert wird.
    17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Summenwert der Summe einer jeweils gleichen Anzahl der unterschiedlichen gespeicherten Werte entspricht .
    18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherung während mehrerer Zyklen in einem Schieberegister {6k) erfolgt.
    19· Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speicherung von Werten zu wenigstens zweiZylindern· getrennt erfolgt, wobei durch Vergleich der gespeicherten Werte eine unzulässige Abweichung feststellbar ist.
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